顛覆未來(lái)作戰(zhàn)的前沿技術(shù)-超材料

顛覆將來(lái)作戰(zhàn)的前沿技術(shù)——超材料顛覆將來(lái)作戰(zhàn)的前沿技術(shù)——超材料超材料是通過(guò)在材料關(guān)鍵物理尺寸上的構(gòu)造有序設(shè)計(jì)，突破某些表觀(guān)自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有一般物理特性的超常材料的技術(shù)。超材料是一個(gè)具有重要軍事應(yīng)用價(jià)值和廣泛應(yīng)用前景的前沿技術(shù)領(lǐng)域，將對(duì)將來(lái)武器裝備發(fā)超材料是通過(guò)在材料關(guān)鍵物理尺寸上的構(gòu)造有序設(shè)計(jì)，突破某些表觀(guān)自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有一般物理特性的超常材料的技術(shù)。超材料是一個(gè)具有重要軍事應(yīng)用價(jià)值和廣泛應(yīng)用前景的前沿技術(shù)領(lǐng)域，將對(duì)將來(lái)武器裝備發(fā)展和作戰(zhàn)產(chǎn)生革命性影響。型材料顛覆傳統(tǒng)理論盡管超材料的概念消滅在 2023年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯(lián)科學(xué)家維克托·韋謝拉戈提出，假設(shè)有一種材料同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量以及波矢之間的關(guān)系將不再遵循作為經(jīng)典電磁學(xué)根底的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“負(fù)折射率關(guān)系”。這種物質(zhì)將顛覆光學(xué)世界，使光波看起來(lái)如同倒流一般，并且在許多方面表現(xiàn)出有違常理的行為，例如光的負(fù)折射、“逆行光波”、反常多普勒效應(yīng)等。這種設(shè)想在當(dāng)時(shí)一經(jīng)提出，就被科學(xué)界認(rèn)為是“天方夜譚”。隨著傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來(lái)越大，材料高性能化對(duì)稀缺資源的依靠程度越來(lái)越高，進(jìn)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設(shè)計(jì)思路，成為材料研發(fā)的重要任務(wù)。2023年，首個(gè)關(guān)于負(fù)折射率材料的報(bào)告問(wèn)世；2023年，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的超材料；2023年，美國(guó)麻省理工學(xué)院爭(zhēng)論人員從理論上證明白負(fù)折射率材料存在的合理性；2023年，由于超材料的爭(zhēng)論在世界范圍內(nèi)取得了多項(xiàng)爭(zhēng)論成果，被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為當(dāng)年全球十項(xiàng)重大科技進(jìn)展之一。此后，超材料爭(zhēng)論在世界范圍內(nèi)取得了多項(xiàng)成果，維克托·韋謝拉戈的眾多推測(cè)都得到了試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)有的超材料主要包括：負(fù)折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇外表等。與常規(guī)材料相比，超材料主要有 3個(gè)特征：一是具有穎人工構(gòu)造；二是具有超常規(guī)的物理性質(zhì)；三是承受逆向設(shè)計(jì)思路，能“按需定制”。負(fù)折射率材料具有介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的電磁特性，電磁波在該介質(zhì)中傳播時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳播矢量三者遵循負(fù)折射率螺旋定則，因此存在負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和抱負(fù)透鏡等多種驚奇物理現(xiàn)象。負(fù)折射率材料的實(shí)現(xiàn)使人類(lèi)具備了自由調(diào)控電磁波的力量，這對(duì)將來(lái)的一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測(cè)、強(qiáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)能和微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)構(gòu)造，是一種光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)構(gòu)造，是一種介電常數(shù)周期性分布的電介質(zhì)復(fù)合構(gòu)造，可以阻擋某一種頻率的光波在其中的傳播。由于光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認(rèn)為是將來(lái)的半導(dǎo)體，對(duì)光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外/雷達(dá)隱身等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。局部超材料例如局部超材料例如“電磁黑洞”是一種承受電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導(dǎo)電磁波螺旋式行進(jìn)，直至被黑洞吸取，使基于引力場(chǎng)的黑洞很難在試驗(yàn)室里模擬和驗(yàn)證的難題迎刃而解。這一現(xiàn)象的覺(jué)察，不僅將為太陽(yáng)能利用技術(shù)增加的途徑，產(chǎn)生全的光熱太陽(yáng)能電池，還能應(yīng)用于紅外熱成像技術(shù)，大幅度提高紅外信號(hào)探測(cè)力量。頻率選擇外表是由大量無(wú)源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列構(gòu)造，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成。其可對(duì)不同頻段的入射電磁波進(jìn)展有選擇性的放射或傳輸，已被廣泛應(yīng)用于微波天線(xiàn)和雷達(dá)罩的設(shè)計(jì)中，也可用于反射面天線(xiàn)的負(fù)反射器，以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，提高天線(xiàn)的利用率。巨大價(jià)值引發(fā)全球關(guān)注巨大價(jià)值引發(fā)全球關(guān)注超材料爭(zhēng)論的重大科學(xué)價(jià)值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出的革命性應(yīng)用前景，使其得到了美國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本等國(guó)政府，以及波音、雷神等機(jī)構(gòu)的強(qiáng)力關(guān)注，現(xiàn)在已是國(guó)際上最熱門(mén)、最受矚目的前沿高技術(shù)之一。2023年，美國(guó)《科學(xué)》雜志將超材料列為 21世紀(jì)前10年自然科學(xué)領(lǐng)域的10項(xiàng)重大突破之一。當(dāng)前，國(guó)外的爭(zhēng)論領(lǐng)域己涉及超材料根本原理和特性、超材料試驗(yàn)驗(yàn)證、超材料設(shè)計(jì)、超材料加工制造和超材料的應(yīng)用。美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)辦公室把超材料列為“六大顛覆性根底爭(zhēng)論領(lǐng)域”之一，美國(guó)國(guó)防部特地啟動(dòng)了關(guān)于超材料的爭(zhēng)論打算；美國(guó)空軍科學(xué)爭(zhēng)論辦公室把超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”；美國(guó)最大的6家半導(dǎo)AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的爭(zhēng)論。歐盟組織了50多位相關(guān)領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的爭(zhēng)論，并賜予高額經(jīng)費(fèi)支持。日本在經(jīng)濟(jì)低迷之際出臺(tái)了一項(xiàng)爭(zhēng)論打算，至少支持兩個(gè)關(guān)于超材料技術(shù)的爭(zhēng)論工程，每個(gè)工程約為 30億日元〔約合 1.5億人民幣〕，同時(shí)將超材料列為下一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)。在多個(gè)工程的支持下，超材料技術(shù)取得了一系列進(jìn)展。例如：●美國(guó)能源部勞倫斯·伯克利國(guó)家試驗(yàn)室與加利福尼亞大學(xué)合作完成了負(fù)折射率材料太赫茲頻率特性的爭(zhēng)論探究；美國(guó)加利福尼亞大學(xué)完成了利用負(fù)折射率材料準(zhǔn)確掌握光線(xiàn)速度和方向的爭(zhēng)論；美國(guó)普渡大學(xué)和諾?？酥萘⒋髮W(xué)合作完成了負(fù)折射率材料對(duì)光線(xiàn)吸取的爭(zhēng)論；2023年以來(lái)，美國(guó)陸軍和普渡大學(xué)爭(zhēng)論了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的型等離子體隱身材料；美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家試驗(yàn)室的爭(zhēng)論團(tuán)隊(duì)制造出了全球首個(gè)非線(xiàn)性零折射率超材料，通過(guò)這種材料的光在各個(gè)方向都會(huì)得到增加；2023年，法國(guó)國(guó)家科學(xué)爭(zhēng)論中心和法國(guó)波爾高等化學(xué)物理學(xué)院的爭(zhēng)論人員通過(guò)結(jié)合物理化學(xué)組成和微流體技術(shù)，研發(fā)出了第一個(gè)三維超材料。使用超材料的隱身衣使用超材料的隱身衣在超材料應(yīng)用方面，有關(guān)國(guó)家和機(jī)構(gòu)近年來(lái)啟動(dòng)了多項(xiàng)爭(zhēng)論打算。如DARPA實(shí)施的負(fù)折射率材料爭(zhēng)論打算；美國(guó)杜克大學(xué)開(kāi)展的高增益天線(xiàn)超材料透鏡爭(zhēng)論，以及可升級(jí)和可重構(gòu)的超材料爭(zhēng)論等。此外，還有近百家美國(guó)企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)打算和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資此外，還有近百家美國(guó)企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)打算和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資助打算資助，對(duì)超材料技術(shù)進(jìn)展了大量爭(zhēng)論和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。目前，超材料領(lǐng)域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達(dá)天線(xiàn)、吸波材料、電子對(duì)抗雷達(dá)、通信天線(xiàn)、無(wú)人機(jī)載雷達(dá)等。奇特功能轉(zhuǎn)變將來(lái)作戰(zhàn)奇特功能轉(zhuǎn)變將來(lái)作戰(zhàn)超材料因其獨(dú)特的物理性能而始終備受人們的青睞，在軍事領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。近年來(lái)，超材料在隱身、電子對(duì)抗、雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和進(jìn)展空間。隱身是近年來(lái)出鏡率最高的超材料應(yīng)用，也是迄今為止超材料技術(shù)爭(zhēng)論最為集中的方向，如美國(guó)的 F-35戰(zhàn)斗機(jī)與DDG1000 艦均應(yīng)用了超材料隱身技術(shù)。將來(lái)，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應(yīng)用潛力，在各類(lèi)飛機(jī)、、衛(wèi)星、艦艇和地面車(chē)輛等方面將得到廣泛應(yīng)用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。超材料實(shí)現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱身技術(shù)的區(qū)分是，超材料使入射的電磁波、可見(jiàn)光或聲波繞過(guò)被隱藏的物體，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)真正意義上的隱身。2023年，美國(guó)杜克大學(xué)與英國(guó)帝國(guó)學(xué)院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)方案由 10個(gè)同心圓筒組成，承受矩形開(kāi)口環(huán)諧振器單元構(gòu)造，試驗(yàn)結(jié)果證明負(fù)折射率材料用于物體的隱身是可行的。2023年，美國(guó)東北大學(xué)承受摻雜鈧的M型鋇鐵氧薄片和銅線(xiàn)組合，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了可在33～44吉赫茲電磁波段實(shí)現(xiàn)可調(diào)的負(fù)折射率材料。美國(guó)雷神公司開(kāi)發(fā)了“透波率可控人工復(fù)合蒙皮材料”，該材料采用嵌入了可變電容的金屬微構(gòu)造頻率選擇外表，通過(guò)掌握加載在可變電容上的偏置電壓，可以轉(zhuǎn)變頻率選擇外表的電磁參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)材料透波特性的人工掌握，可應(yīng)用于各種先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)和下一代隱身戰(zhàn)機(jī)的智能隱身蒙皮。2023年，加拿大超隱形生物公司制造了一種名為“量子隱身”的奇特材料。它能使四周光線(xiàn)折射而發(fā)生彎曲，從而使其掩蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過(guò)人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測(cè)器的探測(cè)下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊(duì)在白天完成突襲行動(dòng)，而且有望在下一代隱形戰(zhàn)機(jī)、艦艇和坦克上應(yīng)用。2023年，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的爭(zhēng)論團(tuán)隊(duì)研制出一種可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光隱身的超材料，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)突破的關(guān)鍵是利用納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)制造出一種多層三維超材料。納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)可轉(zhuǎn)變這種超材料的四周折射率，使光從其四周繞過(guò)而實(shí)現(xiàn)隱身。在聲隱身方面，2023年，美國(guó)杜克大學(xué)卡默爾教授的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種二維聲學(xué)斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波探測(cè)到。2023年3月，杜克大學(xué)制造出世界上首個(gè)三維聲學(xué)斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷外表傳播，不反射也不透射，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)聲波的隱身。三維聲學(xué)斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，能在 3千赫茲的聲波下表現(xiàn)出完善的隱身效果，驗(yàn)證了聲學(xué)斗篷應(yīng)用于主動(dòng)聲吶對(duì)抗的可行性。此外，美海軍自主開(kāi)發(fā)一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術(shù)，制造一種六角形晶胞構(gòu)造的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外掩蓋的靜音材料內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波引導(dǎo)，到達(dá)隱身目的。聲隱身超材料技術(shù)的進(jìn)展將對(duì)潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，有可能轉(zhuǎn)變將來(lái)水下戰(zhàn)場(chǎng)的“玩?！币?guī)章。除了傳統(tǒng)意義上的隱身，最近超材料在觸覺(jué)隱形上也有了的突破。2023年，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的爭(zhēng)論人員利用機(jī)械超材料制成觸覺(jué)隱形斗篷。這是一種全的隱身技術(shù)，可以哄騙人體和探測(cè)設(shè)備的傳感器。這種觸覺(jué)隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特別設(shè)計(jì)的次微米精度的晶體構(gòu)造。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點(diǎn)的大小需準(zhǔn)確計(jì)算，以滿(mǎn)足所需的機(jī)械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺(jué)，如用隱形斗篷掩蓋住放在桌面上的一個(gè)突出物體，雖然可見(jiàn)突出物，但用手摩挲時(shí)無(wú)法感到物體突出，就像摩挲平坦的桌面一樣。該技術(shù)雖然還在純粹的根底物理爭(zhēng)論階段，但是將會(huì)為近幾年的國(guó)防應(yīng)用開(kāi)拓一條路。超材料將圓柱體隱蔽起來(lái)超材料將圓柱體隱蔽起來(lái)天線(xiàn)與天線(xiàn)罩是超材料的另一個(gè)用武之地。國(guó)外眾多試驗(yàn)說(shuō)明，將超材料應(yīng)用到、雷達(dá)、航天器等天線(xiàn)上，可以大大降低天線(xiàn)能天線(xiàn)與天線(xiàn)罩是超材料的另一個(gè)用武之地。國(guó)外眾多試驗(yàn)說(shuō)明，將超材料應(yīng)用到、雷達(dá)、航天器等天線(xiàn)上，可以大大降低天線(xiàn)能耗，提高天線(xiàn)增益，拓展天線(xiàn)工作的帶寬，有效增加天線(xiàn)的聚焦性和方向性。使其無(wú)法被手指感覺(jué)到天線(xiàn)方面，雷神公司研發(fā)了超材料雙頻段小型化 GPS天線(xiàn)，通過(guò)準(zhǔn)確的人工微構(gòu)造設(shè)計(jì)，可提升天線(xiàn)單元間的隔離度，削減天線(xiàn)原件之間的電磁耦合，從而使天線(xiàn)的帶寬得到大幅拓展，其可應(yīng)用于對(duì)天線(xiàn)尺寸要求苛刻的飛機(jī)平臺(tái)與個(gè)人便攜式戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航終端。2023年2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種型電磁超材料，可用于在喇叭形衛(wèi)星天線(xiàn)上，使產(chǎn)品體積更小，制造本錢(qián)更低，并能夠顯著提高航天器天線(xiàn)的性能。2023年，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)出一種可用于無(wú)人機(jī)通信的超材料平面天線(xiàn)，可使電磁波在透過(guò)平面天線(xiàn)后進(jìn)展聚焦，在實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波聚焦的同時(shí)保存了平面天線(xiàn)的寬帶性能，抑制了傳統(tǒng)拋物面天線(xiàn)變?yōu)槠矫嫣炀€(xiàn)所帶來(lái)的帶寬損失、低增益等問(wèn)題，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線(xiàn)替換多個(gè)天線(xiàn)，削減天線(xiàn)的數(shù)量。這一技術(shù)突破可能使飛機(jī)、艦艇、衛(wèi)星等天線(xiàn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生劃時(shí)代的變革。雷達(dá)天線(xiàn)罩方面，在美國(guó)海軍的支持下，美國(guó)公司成功研發(fā)出雷達(dá)罩用超材料智能構(gòu)造，并應(yīng)用于美軍一代的 E2“鷹眼”預(yù)警機(jī)，大幅提高了其雷達(dá)探測(cè)力量。通過(guò)承受超材料的特別設(shè)計(jì)，該工程供給了解決傳統(tǒng)雷達(dá)罩圖像畸變的問(wèn)題，同時(shí)這種超材料電磁構(gòu)造質(zhì)量輕，便利后期的改裝和維護(hù)，極大提高了E2“鷹眼”預(yù)警機(jī)的整體性能。天線(xiàn)罩方面，美國(guó)雷神公司研制了基于超材料的天線(xiàn)罩，可以使穿過(guò)天線(xiàn)罩的電磁波不產(chǎn)生有效折射，有效提高打擊精度。用于制作光學(xué)透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高區(qū)分力量的平板型光學(xué)透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應(yīng)用于微量污染物質(zhì)探測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷成像、單分子探測(cè)等領(lǐng)域；高定向性透鏡主要應(yīng)用于透鏡天線(xiàn)、小型化相控陣天線(xiàn)、超區(qū)分率成像系統(tǒng)等領(lǐng)域；高區(qū)分力量的平板型光學(xué)透鏡主要應(yīng)用于集成電路的光學(xué)引導(dǎo)原件等領(lǐng)域。2023年，美國(guó)密西根大學(xué)完成一種型超材料透鏡爭(zhēng)論，可用于觀(guān)2023年，美國(guó)密西根大學(xué)完